第一章 绪 论
1.1背景以及意义
随着城市化进程的不断推进，城市人口不断上升,城市的交通压力大幅增加，我国大部分城市为了缓解城市公共交通的压力，都选择修建地铁地铁修建工程进入新的时期，中国内地已开通城轨交通线路长度共计7978.19公里，其中地铁6302.79公里、轻轨217.60公里、单轨98.50公里、市域快轨805.70公里、现代有轨电车485.70公里、磁浮交通57.70公里、APM10.20公里。随着我国的城市轨道交通快速的发展，辅助供电系统作为地铁车辆的关键系统也在不断的进行优化开级，辅助变流器所采用的功率器件从初期的GTO逐步渐进步为现在的具有优良性能的IGBT,初期的GTO存在器件烧毁较多的情况，而现在采用的IGBT不仅具有能耗小、频率高、器件烧毁少的特点，还具备多重保护能力，能有效的保护线路，减少短路现象的发生，极大的提高了辅助变流器以及辅助系统的稳定和可靠性。隔离方式也从最初的低频发展为现在的高频，辅助变流器的功率密度更为集中，各方面性能得到了有效提升。并且最初的我国辅助变流器是从国外采购，在购买相关设备的同时，也开始引进相关技术，在不断对辅助变流器进行优化的过程中，我国开始自主研发辅助变流器，并成功应用于地铁车辆上，目前我国常用的主要有TGF9型和TGF11型这两种辅助变流器，辅助变流器应用到地铁车辆辅助系统时，其技术经济方面的优越性也得到充分显示。地铁运行的长里程对地铁辅助供电系统的电能质量、功率等级、运行可靠性等方面都提出了更多和更高的要求。由此,本设计将对地铁辅助系统的重要组成设备辅助变流器的构成、发展历程以及功能等方面进行叙述，并提出相关设计优化措施,提高地铁辅助变流器的可靠性。
1.2探讨的主要内容
辅助变流器是辅助供电系统的重要零件，它的作用对行车安全起着非常重大的作用。辅助变流器是否正常直接影响到整列车的性能及行车安全。如果辅助变流器在行车当中发生了故障，可能会造成列车晚点或者停运事故，事情严重的会导致客车停电造成事故。一旦发生此类情况，肯定是无法正常运行的。甚至会影响到后续的地铁的正常行车秩序，在行车途中，没有及时发现故障，可能会进一步恶化故障的发生，导致将输出滤波电容和用电损坏等事故，其后果也是不可想象的。因此辅助变流器故障分析及防治措施是本次毕业设计的关键。在我国地铁车辆检修当中，以计划修为主，故障修为辅的检修模式。在运行当中，经常出现充电环节故障，主接触器故障，输入输出保护限制，触电无效接触，等相关问题，本设计主要从以上几个问题方面进行探讨，研究辅助供电装置的合理检修方案。从基本目视检查到探伤检查故障，从检修工艺以及技术要求等方面，减少轴承在运行中严格按要求检修，减少出现故障，保证地铁行车安全。
第二章 辅助变流器装置的基本结构
2.1 地铁辅助变流器装置简介
辅助变流器是地铁车辆的重要组成设备之一，主要由辅助变流器和蓄电池充电机两部分组成，辅助变流器的主要功能是受电弓上的直流电实现转换，转换成三相交流电供给车载空调、空压机等使用，将直流电转换成交流电，给负载及控制系统提供稳定、可靠的电源，并能有效缓解负载不均衡的现象。地铁辅助变流器的重要组成部分的辅助变流器主要功能是将直流电源经辅助变流器处理为三相交流电，提供给空调设备、空气压缩机、设备通风机、照明系统以及挡风玻璃除霜器等三相负载使用，辅助变流器能自动进行启动和关闭，并且能对故障进行切除和对辅助系统的运行状况进行跟踪记录，保障地铁正常运行。充电机是为车载的各系统的控制电路、直流照明、电动车门等直流负载提供可靠电源，并能给车载蓄电池进行充电。地铁辅助变流器追求的目标是不仅是有效的地铁需要的功能，还能为用户提供良好的操作界面方便操作，地铁辅助变流器在不断提高自动化水平的同时应注意满足以下要求;首先，输入电压在我国相关标准规定的范围内时，变流器能为空调设备、空压机、通风机等设备提供稳定电源，并在运行环境恶劣的情况下，能保持较高的可靠性，保障地铁车辆正常运行。
2.2 地铁辅助供电系统功能及组成
列车辅助系统的供电网络分为:辅助变流器(DC/AC变流器)、蓄电池充电器、蓄电池、高压母线、中压母线、低压母线、照明设备与其它必需的辅助设备(继电器、接触器、空气开关、控制器等)。下文主要介绍辅助变流器。
图 1 总体结构
地铁辅助变流器主要实现从直流到交流的变换给负载及控制系统提供稳定、可靠的电源”。地铁的用电负荷主要有两大类:牵引用电负荷和辅助系统用电负荷。牵引用电主要是牵引电机:辅助系统则相对复杂，主要包括环控系统、低压配电系统、弱电控制系统(门禁系统、综合监控系统、AFC系统等)、屏蔽门系统、给排水系统及其他(主要包括出入口卷闸门、辅助性检修电源插座等)。
国产地铁辅助变流器的主要功能为:将1500V的直流电源经辅助变流器(DC/AC)逆变为三相交流380V1-3),提供给空调设备(空调压缩机、冷凝器风扇、蒸发器风扇)、空气压缩机、设备通风机、客室照明以及挡风玻璃除霜器、方便插座、雨刮器等三相负载用。辅助变流器能自动完成启动、关闭及故障切除功能，在列车网络正常工作时，能及时报告辅助系统的运行状况。
辅助系统的设计应考虑一定的过载能力。由于负载特性和运行过程中负载突变等原因，系统运行时经常会承受高于额定值的电压和电流，所以器件选型，控制系统设计等过程中要留有相对足够的余量。所能够承受的过载范围的量化的标准在相关的标准中有所规定。并且在干扰情况下仍能输出较为理想的三相交流电压，一般要求输出电压波动不超过额定的土20%，并且0.1~0.3s输出电压恢复可恢复稳态。另外，因为辅助用电设备里面还有不均衡负载。虽然不均衡负载主要是电热等电阻性负载，并没有启动时的过电电流，不会对辅助变流器产生特别大的冲击，而且不均衡负载相对于辅助变流器整体的功率而言只占了小部分，对三相线电压也不会产生直接的影响，但是因为不均衡负载会产生零序和负序分量，特别是零序和负序分量叠加到正序分量后会导致三相相电压不均衡，如果没有采取合适的电路结构和控制方法(例如传统的三相三线制变流器)，输出相电压会产生极大的不平衡现象，严重时甚至会将输出滤波电容和用电损坏。因此，辅助变流器必须要有很强的抗不均衡负载能力。
2.3 地铁辅助供电系统工作原理
辅助系统从DC1500V转变成AC380V过程为DC1500V→R10进线滤波器→EMC滤波器→Q10进线接触器→T1预充电单元→R11升压扼流圈→T3DC/DC模块一MF中频变压器→T4全桥整流器→T5PWMI脉宽调制模块→Q51三相接触器-+输出三相AC380。
进线滤波器扼流圈:消除由于切换IGBT而造成的电流的波动，能够吸收线路上的浪涌电压。
EMC输入滤波器:抑制接触网上边变流器的开关反应，保证电网自身的电磁兼容性。带预充电电阻器的过压保护单元:保护免受输入的电涌。
脉宽调制变流器:脉宽调制变流器的任务是将直流环节的转变成380V3AC/50HZ的输出电压。IGBT的控制是通过M2000(A9-K2)来实现的，承担了所有的调整和控制任务以外的保护和检测功能。
辅助变流器工作控制原理:供电系统如果给辅助变流器提供允许的输入电压，并通过VCU给出接通命令，则闭合预充电接触器，开始内部滤波器电路的预充电。
如果输入滤波器内没有错误，则闭合线路接触器装置，系统开始测试3AC输出的输出滤波器，并测试输出滤波器中有无故障发生，或是否发生内部短路或内部接地故障。
如果试运行能够完全实现而无故障发生，则再次断开PWMI，以便与3AC列车母线同步。倘若列车母线上无电压，则先闭合3AC输出接触器，接通PWMI，系统开始接通额定电压。
系统将在3AC输出接触器开路的条件下测试PWMI输出滤波器，如果3AC列车的母线上已有电压存在，则启动PWMI，使其电压和相位与列车母线电压同步。一旦电压、相位达到同步，电压等同，3AC输出接触器就闭合。SIBCOS-M2500控制器是主控制和模块控制的组合。用于综合系统控制，与上级控制等级的通讯控制和调节不同类型的功率变流器。
1、输入保险2、紧急启动3、EMC滤波器4、DC/DC模块5、SIBCOS2500控制器6、逆变模块7、充电机8、正弦滤波9、DCDC转换器10、火灾报警11、24V直流输出12、车间供电13、中线线路
图二 辅助变流器原理图
第三章辅助变流器常见故障及处理方法
辅助变流器是地铁车辆比较重要的电气部件，它能够在车辆运行过程中连接架空接触网线，通过1500V架空线并行供电，对列车空调单元、空压机、通风机和其他三相负载输出380v交流电源，并且通过110V辅助电源满足照明、蓄电池充电机等电源需求。辅助变流器对空压机、空调机组与照明等正常运行具有密切关系，所以分析地铁车辆辅助变流器常见故障，提出针对性的处理策略具有重要意义。
3.1 辅助变流器故障统计
辅助变流器有部分故障如下：
1.充电环节故障。
2. 主接触器故障。
3. 输入输出保护限制。
4.辅助变流器触点无效接触。
下表为在车辆实训室实训期间，查阅往年故障时记录表，从2016年至2020年故障统计如下
表一 某地铁公司各故障占比
| 充电环节故障 | 主接触器故障 | 输入输出保护限制 | 触点无效接触 | |
| 年份 | 故障占比 | |||
| 2016 | 25％ | 26％ | 14％ | 35％ |
| 2017 | 27％ | 29％ | 13％ | 31％ |
| 2018 | 30％ | 25％ | 15％ | 30％ |
| 2019 | 31％ | 19％ | 15％ | 35％ |
| 2020 | 26％ | 25％ | 14％ | 35％ |
3.2 统计故障原因分析
从以上故障占比分析来看，辅助变流器触点无效接触为辅助变流器出现故障中占比最高的部分，下列就辅助变流器触点无效接触展开分析。
辅助变流器触点无效接触原因分析：辅助变流器能够将接触网内的电压(1500V)转变为不同等级的电压，利用列车的贯穿线传输给地铁列车上的各个设备，以此确保地铁车辆的稳定运行。在地铁车辆的运行中辅助变流器经常会出现接触器(包括:IVLB、https://www.msn.cn/zh-cn/feed3PhMK)触点不效的故障现象，导致辅助变流器无法正常启动，通常故障是辅助变流器中一群内的HK状态不稳定造成的。HK接点状态不稳定的原因包括两种:是主接触点的接触不稳定，造成的辅助接触点断开;另种是主接触点的状态良好辅助接触点的接触出现问题，导致的故障，近而在反馈信息的时候出现不稳定的情况。
3.3 辅助变流器故障处理措施
在地铁车辆的众多系统中，地铁车辆的辅助供电系统是一个非常重要的系统，在地铁车辆上除了牵引力用电是牵引变流器提供的之外，其他的设备均是由车辆辅助供电系统提供的，在辅助供电系统中辅助变流器是极其重要的一个部件，辅助变流器能够将接触网内的电压转变为不同等级的电压，利用列车的贯穿线传输给地铁列车上的各个设备，以此确保地铁车辆的稳定运行。而在以上常见的故障中，发生频率最高的属于触电无效接触，下文就触点无效接触展开分析故障处理措施。
图三 启动过程中两模块输出电压波形
图四 输入电压受到扰动，两模块输入电压变化过程
结合上文故障发生原因及参考资料分析，笔者认为辅助变流器出现故障的原因是因为，HK 辅助接触点的材料属于镀金材料， 其接触点对流过的电流最小值要求比较小，加上控制电压（110V） 会在 77V—120V 之间波动，若是控制电压处于下限值，就无法满 足辅助触点要求的电流值，因此就会出现接触不良的现象。而在现场发生故障后对故障的处理方法一般为测试接触器主接触点及辅助接触点的电阻值，确定是由HK接触器触电产生问题，选择之间更换接触器，得到触电接触稳定，使辅助变流器正常启动。
第四章 辅助变流器常见故障处理方案优化
4.1 故障处理存在的问题
由上文可知，辅助变流器出现触电无效接触常见处理方式为,确定问题出自辅助变流器接触器，再更换接触器。而此种故障处理方式存在的问题有以下几点:
1.没有对问题的来源进行仔细研究，问题出现时解决手段单一。
2.因为对故障原因不明，所以无法排除其他零部件对接触器产生影响的因素，故障重复发生。
3.出现故障时处理故障的成本过高.
图五 直接逆变式辅助系统原理框图
4.2 辅助变流器常见故障处理方案改进
根据上文提出的常见故障处理措施存在的几个问题提出改进。为了更加清楚的了解该接触点电阻变大的原因，对表面的黑色成分进行了分析，以检测结果为依据，发现在辅助接触点 3 上 的黑色物质包括：碳、硅、金、银等元素，其中在接触点中金、 银是固有的金属成分，接触点包含的其他元素是在分流时产生的，碳、硅是在放电分解时产生的，硅对接触点的影响很大，会直接导致辅助接触点 3 的电阻偏高。
得知接触无效的原因确定在于接触器后，为了确保辅助变流器的稳定运行，应该更改辅助变流器的内部配线，首先是针对接触点不一致的故障处理，在整改的时候只能对逻辑内的电阻进行整改，辅助接触点不整改，整改之后的地铁列车信息的反馈从原本的接触段 3 转移到接触点 2 上，通过将近 6个月的观察，故障未出现，因此确定此整改方案 效果显著，值得推广。
4.3 可行性对比验证
在更改辅助变流器的内部配线，对内部电阻进行整改后，故障出现的概率在6个月内骤降。下文列出在同一天气条件，人流量下采用改进前后两种辅助变流器的不同故障率图表，下图为改进前后故障出现概率对比图：
表二 改进前故障占比
| 日期 | 改进前辅助变流器故障率占总故障比 |
| 2019年6月-9月 | 35％ |
| 2020年3月-6月 | 36％ |
表三 改进后故障占比
| 日期 | 改进前辅助变流器故障率占总故障比 |
| 2020年6月-9月 | 5％ |
| 2023年3月-6月 | 3％ |
通过上图9·图10可知，改进前辅助变流器触点无效接触占总故障率平均在35%以上，而通过改变辅助变流器接触电阻等改进结构上的措施，使得辅助变流器触电无效接触占总故障比平均在5%以下。
在通过对比数据可以发现，改进后的辅助变流器触电相对于改进之前有着明显的提升，依次可以证明此优化方案的可行性。
第五章 总 结
通过本次毕业设计的完成，使我学习了解了很多关于此专业方面的知识，也得出了一些本次学习结论，在现实工作当中，我们要不间断的加强各岗位职工的责任心培养，更加要提高各岗位职工的业务水平能力，更加充分的认识到本职工作的重要性，认识到事情的严重后果，要以“团结，严谨，求实，创新”作为自己的工作态度。
在进行检修作业时，工作人员对地铁辅助供电装置需要有一个预检的过程，需要仔细检查变流器的外壳、输送电路是否出现故障，如裂损、擦伤、腐蚀或变色等现象。在检修时应该对辅助变流器周围的部件进行清理，仔细检查辅助供电装置的保持架是否出现了变形、裂纹或严重磨耗等现象，严禁将预检当中不符合要求的辅助变流器送入下个步骤；并且要加强对辅助变流器的除锈、防锈工作。加强辅助变流器早期故障的探伤检查及选配工作。在辅助变流器日常检修中，不得出现漏项等问题。及时更换为改进后的辅助变流器电阻，减少辅助变流器同一故障出现次数。而在更换辅助变流器电阻后，可发现故障概率下降明显。
在此次学习当中，通过调研分析，结合国内外地铁辅助变流器的发展状况，对地铁辅助变流器各方面性能的了解，分析目前地铁辅助变流器的各方面性能以及优缺点分析，对辅助变流器常见故障原因进行分析，根据现实，为减少辅助变流器故障率从而达到辅助变流器故障处理方案优化的目的，提出解决方法和改进方案。
参 考 文 献
[1]郑超.地铁车辆辅助逆变器故障分析及整改研究[D].DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2023.21.014
[2]成桂富，毛茂，张卫.辅助变流器风扇及箱体裂纹原因分析与改进[D].2095-5901(2018)12-0044-03
[3]赵春阳，张海峰.高速动车组辅助变流器主风扇故障分析及应对方法[D].2095-8412(2018)03-067-05
致 谢
到此处，本人的毕业设计也在跌跌撞撞中结束。时间过得真快，在高铁学院的三年大学生活即将写下最后一个句号。至此，本人也讲进入人生的下一段旅程。而在本人毕业设计从开始到交稿的这段时间里，我最感谢的就是我的父母亲人及我的指导老师，从开始阅题后的不知所措到更换题目后的文思泉涌，我的指导老师不厌其烦，兢兢业业的指导让我印象深刻。
每当专业性很强，难遇解决的问题出现时，老师解答问题都会毫不犹豫。我遇到不太了解的问题时，找遍他的相关资料为我解开答案，是他帮助学生完成毕业设计的处理方法。而有一些需要工作现场的数据，我的老师也会主动联系一部分地铁车间，让我去了解，学习，参观。我的指导老师和我的学校气质十分符合，都拥有一种铁路系统及铁路人的气质，学识渊博，待人友好，为人正直。在此次编写毕业设计时，怎样更正确更快速的查询到我想找到的资料，怎样用专业的语言解释不那么专业的话术，都是我在日常学习生产中学不到的。再次感谢我的亲人，老师，同学的帮助及付出，感谢学校这三年来对我的照顾。在我工作以后，我一定会牢记老师对我的帮助，牢记学校的校训，将会是我以后的座右铭。最好，我想和帮助过我的家人，老师，同学表示最最诚挚的感谢！
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